正确选择燃气锅炉供气系统中快速切断阀的重要性及计算选择方法

    通常，当燃气锅炉出现燃气压力过高或过低、风压过低、点火火焰和主燃烧器火焰熄灭、锅炉蒸汽压力过高、锅炉水位过低、送风机或引风机故障、停电等情况时，自动快速切断阀应立即切断供给锅炉的燃气，否则，由于炉膛呈炽热状态且继续进气就可能产生“熄火爆炸”事故。或在未通风清炉或清炉时间不够时，再点火将会引起“点火爆炸”事故。尤其在锅炉运行过程中突然停电，自动快速切断阀未及时切断燃气，更易发生爆炸事故。
    由此可见，燃气锅炉供气系统中自动快速切断阀是避免燃气锅炉发生爆炸事故的重要装置之一。这就要求快速切断阀的切断时间尽可能短、泄漏量尽可能小。所以快速切断阀的切断时间和泄漏量就成为避免发生爆炸事故的关键因素。因此，如何确定快速切断阀的切断时间和怎样才能避免燃气漏入炉膛，就成为人们普遍关注的问题。
    为了避免快速切断阀关闭后燃气漏入炉膛，国内外均采用在靠近燃烧器处设置两个快速切断阀。两个快速切断阀之间设一根放散管和一个放散阀。
    对于快速切断阀的切断时间，美国“工厂保险协会”FIA标准、“防火协会”NFPA标准、FM标准都规定：在其设定燃料的条件下，炉膛熄火时允许切断时间为4_s；日本FT-CN型燃气锅炉，在其设定燃料的条件下，炉膛熄火时允许切断时间为1_s。
    国内有些烧高炉、焦炉煤气的燃气锅炉在供气系统中采用的快速切断阀都是电动闸阀。电动闸阀的严密性较好，但是切断燃气所需的时间通常为1～2.5min。那么在1～2.5min内进入炉膛的燃气，就可能达到燃气的爆炸极限，而产生爆炸事故。
    如某热电厂75t/h锅炉曾经发生过“熄火爆炸”，造成炉墙炸塌的事故；某氧气厂4t/h锅炉也发生过熄火后的“点火爆炸”，幸而防爆门开启，未造成严重事故。
    分析爆炸原因，基本上都是由于燃气锅炉供气系统中的快速切断阀（电动闸阀）关闭不及时，进入炉膛的燃气达到爆炸极限造成的。然而，在工程设计时，有关燃气锅炉的规程规范及其相关的标准和手册都未规定燃气锅炉熄火时快速切断阀的允许切断时间。有些资料中，仅要求设置快速切断阀。因此，人们误认为电动调节阀能够起到“快速”切断作用（比手动切断阀快）。而且电动闸阀的严密性较好，价格相对气动阀门而言又便宜。所以往往选电动闸阀作为燃气锅炉供气系统中的快速切断阀。
    总之，燃气锅炉供气系统快速切断阀的选择是否合理，最关键的问题是如何确定其允许切断时间。
一、快速切断阀允许切断时间的计算
    下面就如何确定快速切断阀的允许切断时间的计算进行探讨。
    1、工程上使用的燃气的计算公式
    工程上使用的燃气，几乎都是数种可燃气体的混合物，其爆炸极限可用勒·查特列（LeChatelier）公式计算：
    当燃气中不含惰性气体时：
    L_R=ΣX_i/Σ（X_i/L_i） （1）
    当燃气中含有惰性气体时：

    式（1）、（2）中：
    X_i—燃气中各可燃组分的体积百分数，%；
    L_i—燃气中各可燃组分爆炸极限（上限或下限），%；
    X—惰性气体的体积分率。
    2、快速切断阀关闭过程的流量特性
    快速切断阀关闭过程的流量特性由图1可知，快速切断阀开始关闭时间为T₀时，燃气流量为Q₀；当快速切断阀关闭后时间为T₁时，燃气流量为0（不计泄漏量）。因此在时间间隔ΔT=T₁－T₀内，进入锅炉炉膛的燃气体积（即图1中阴影部分的面积）为：

    V_d=0.5Q₀ΔT（m³）  （3）
    当进入锅炉炉膛的燃气体积V_d与炉膛内空气体积（其数值等于炉膛容积V_l）混合后的体积含量小于燃气的爆炸极限（下限）L_dx，那么就可以避免发生爆炸危险。即：
    V_d/（V_d＋V_l）＜L_dx（4）
    进入炉膛的燃气体积V_d，为了使选择的快速切断阀更安全可靠，计算中忽略了燃气扩散、炉膛中滞留烟气、引风机倒转、烟囱抽力及炉膛泄漏等因素对V_d的微小影响。
    将式（3）代入式（4）得：
    ΔT﹤2L_dxV₁/（1－L_dx）Q₀（s）（5）
    式中：
    ΔT—快速切断阀的允许切断时间，s；
    L_dx—燃气爆炸浓度下限，%；
    V₁—锅炉炉膛容积，m³；
    Q₀—额定工况下进入锅炉的燃气流量，m³/s。
二、计算实例
    1）我厂220t/h高压燃气锅炉燃料为高炉煤气，其成分如下：

    由公式（1）、（2）计算得：
    L_dx=30.6%
    上式计算中可燃气体与空气混合时的爆炸极限，一氧化碳与空气混合的爆炸极限为12.5%～74%，氢与空气混合物的爆炸极限为4%～75%，锅炉所需高炉煤气流量Q₀=55.56m³/s，锅炉炉膛容积V_l=2025m³。
    由式（5）得：
    ΔT﹤2L_dxV₁/（1－L_dx）Q₀=32（s）
    我厂220t/h燃气锅炉煤气系统快切阀采用美国SHAFER的液控执行机构，阀体采用三偏心金属硬密封蝶阀，此阀的切断时间为2_s。从正式投产至今，由于故障需要快速切断供气时（如煤气系统压力超高，炉膛负压超限，吸风机跳闸），此快切阀均能及时动作，未发生过爆炸事故。
    2）某铁厂自备电站SHL10-25/400-AⅡ型锅炉，燃烧50%煤和50%高炉煤气。高炉煤气消耗量为Q₀=1.232m³/s，炉膛容积V₁=40.2m³，高炉煤气爆炸浓度下限L_dx=30.84%；为了使供气系统更安全可靠，则快速切断阀的允许切断时间应为：
    ΔT﹤2L_dxV₁/（1－L_dx）Q₀=29.1（s）
    假如同样是SHL10-25/400-AⅡ型锅炉（V₁=40.2m³），燃气的消耗量仍为Q₀=1.232m³/s，燃烧介质改为焦炉煤气或天然气，则快速切断阀的允许切断时间如下：
    燃用焦炉煤气时（L_dx=4.72%）
    ΔT﹤2L_dxV₁/（1－L_dx）Q₀=3.23（s）
    燃用天然气时（L_dx=4.96%）
    ΔT﹤2L_dxV₁/（1－L_dx）Q₀=3.26（s）
    3）某氧气厂4t/h锅炉燃料为高、焦炉混合煤气，其中高炉煤气72.3%，焦炉煤气27.7%。混合煤气成分如下：

    由公式（1）、（2）计算得：
    L_dx=12.16%
    计算中可燃气体与空气混合时的爆炸极限见有关资料，燃气中含有成分不明的不饱和烃时，假定由乙烯组成。锅炉所需高、焦炉混合煤气流量Q₀=0.47m³/s，锅炉炉膛容积V₁=10.84m³（设备改造后的炉膛容积）。
    由式（5）得：
    ΔT﹤2L_dxV₁/（1－L_dx）Q₀=6.348（s）
    所以设计中把该氧气厂4t/h锅炉供气系统中的电动闸阀更改为气动O型切断球阀，此阀的切断时间为2～4s。据生产单位反映，使用效果好。从正式投产至今未发生过爆炸事故。
    可见，一般的电动阀门（电动闸阀等）都不可能满足快速切断的要求。换句话说，电动阀门不能作为快速切断阀用（因为电动阀门的切断时间一般都大于1min）。
三、结论
    合理选择燃气锅炉供气系统中快速切断阀的方法为：
    1）由式（1）、（2）计算燃气的爆炸下限（通常燃气成分是已知的）。
    2）根据公式（5）ΔT﹤2L_dxV₁/（1－L_dx）Q₀计算快速切断阀允许切断时间。
    3）选择切断时间小于ΔT，泄漏率较小的阀门作为快速切断阀。为了避免快速切断阀关闭后燃气漏入炉膛，在燃气锅炉供气系统中应与快速切断阀串联一个电动阀，两个切断阀之间设一根放散管和一个放散阀。
    4）电动阀门的关闭时间一般都大于1min，不应作为燃气锅炉供气系统中的快速切断阀用。
    5）推荐采用电磁阀（限于小型锅炉）、气动阀或液控快速切断阀（较先进，但价格较高）作为燃气锅炉供气系统中的快速切断阀。有压缩空气或氮气（压力通常在0.4～0.6MPa之间）的情况下，可采用气动阀作为快速切断阀。气动阀相对电动阀而言，投资增加不太多，但是切断时间短，使燃气锅炉的供气系统更安全可靠。

    参考资料
    [1]日本工业炉协会编。工业炉手册[M]。北京：冶金工业出版社，1989。
    [2]中华人民共和国机械电子工业部。锅炉房设计规范GB50041-92[M]。北京：中国计划出版社，1993。
    [3]前苏联锅炉机组热力计算标准方法[G]。北京：机械工业出版社，1976。
    [4]中小型燃气锅炉房编写组。中小型燃气锅炉房[M]。北京：中国建筑工业出版社，1981。
    [5]马驰轮。燃气锅炉供气系统快速切断阀的选择[J]。煤气与热力，1999，（1）：55-57。
    [6]冯俊凯，沈幼庭主编。锅炉原理及计算（第二版）[M]。北京：科学出版社，1992。
    [7]钢铁企业燃气设计参考资料编写组。钢铁企业燃气设计参考资料[G]。北京：冶金工业出版社，1978。
    [8]武汉安全环保研究院。工业企业煤气安全规程GB6222-2005[M]。武汉：武汉安全环保研究院，2004。

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